Large Hadron Collider

Wikipedia

Tunneli jossa LHC-kiihdytin sijaitsee

Large Hadron Collider eli LHC (suom. suuri hadronitörmäytin) on CERNissä valmisteilla oleva maailman suurin hiukkaskiihdytin ja hadronien törmäytin, jonka on tarkoitus käynnistyä toukokuussa 2008 ^[1]. Se rakennetaan 27 kilometrin mittaiseen tunneliin sadan metrin syvyyteen Sveitsin ja Ranskan rajalle, jossa aikaisemmin oli LEP-törmäytin (Large Electron Positron). Toisin kuin LEP-törmäytin, jossa törmäytettiin elektroneja ja positroneja, LHC törmäyttää protoneita. Protoneiden törmäysenergia on kullakin 7 TeV eli yhteensä törmäysenergia 14 TeV. LHC:tä voidaan käyttää myös raskaiden ionien kuten lyijyn törmäyttämiseen. Törmäysenergia on tällöin 1 150 TeV. ^[2]

LHC-kiihdyttimen piti alun perin valmistua vuonna 2005, mutta hanke on viivästynyt. Hankkeen valmistuminen lykkääntyi edelleen kolmen magneetin tukirakenteiden murruttua niihin kohdistuneen asymmetrisen kuorman takia. Tukirakenteet valmistettiin Fermilabissa. ^[3]

Sisällysluettelo

1 Rakenne
2 Kokeet
3 LHC-kiihdyttimessä tutkittavia ongelmia
4 Teoreettisia uhkakuvia
5 Katso myös
6 Viitteet
7 Aiheesta muualla

[muokkaa] Rakenne

LHC:n pääkiihdytin sijaitsee ympyrän muotoisessa tunnelissa, jonka piiri on 26 659 metriä. Tunneli on 50 – 150 metrin syvyydessä maan sisällä. Tunnelin poikkileikkaus on halkaisijaltaan 3,8 metriä. Tunneli ylittää Ranskan ja Sveitsin rajan neljästi mutta sijaitsee pääosin Ranskan puolella. Tunnelissa ollut aiempi LEP-törmäytin purettiin LHC:n tieltä. Maanalaisen laitteiston lisäksi LHC:en kuuluu maanpinnalla olevia laitteistoja kuten kompressorit, ilmanvaihtolaitteistot, ohjauselektroniikka ja jäähdytyslaitteistot.

Törmäytintunnelissa on kaksi putkea, jotka ovat suprajohtavien magneettien ympäröimiä. Magneetteja jäähdytetään nestemäisellä heliumilla. Putkissa kulkee protonisäteet vastakkaisiin suuntiin. Neljässä pisteessä on magneetit, joilla voidaan törmäyttää protonisäteet toisiinsa.

Protoneilla on kullakin 7 TeV energia, jolloin törmäysenergia on 14 TeV. Protonin kiertoaika putkessa on noin 90 mikrosekuntia.

LHC:n hiukkaskiihdyttimet

Ennen pääkiihdyttimeen vientiä hiukkasia kiihdytetään useissa pienemmissä kiihdyttimissä. Ensimmäisessä lineaarikiihdytin Linac2:ssa päästään 50 MeV:n energiaan. Seuraavassa Proton Synchrotron Boosterissa (PSB) päästään jo 1,4 GeV:iin. Proton Synchrotronin (PS) jälkeen energia on 26 GeV. Super Proton Synchrotronissa (SPS) energia nousee 450 GeV:iin.

LHC:llä voidaan törmäyttää myös raskaita ioneja kuten lyijyioneja (Pb). Tällöin törmäysenergia on 1 150 TeV. Ioneja kiihdytetään ensimmäiseksi lineaarikiihdytin Linac 3:lla. Low-Energy Injector Ringiä (LEIR) käytetään ionivarastona ja jäähdytysyksikkönä. Ioneja kiihdytetään lisää Proton Synchrotronilla (PS) ja Super Proton Synchrotronilla (SPS).

LHC:n putkien risteyskohtiin rakennetaan kuusi hiukkasilmaisinta. ATLAS ja CMS ovat suuria "yleiskäyttöisiä" hiukkasilmaisimia. Myös ALICE on suuri hiukkasilmaisin mutta se on tarkoitettu etsimään kvarkki-gluoniplasmaa raskaiden ionien sekaisista jäänteistä. Loput kolme LHCb, TOTEM ja LHCf ovat pienempiä ja erikoistuneempia.

Käynnissä olevan LHC:N magneetteihin on varautunut 10 GJ energiaa ja säteeseen 725 MJ. Vastaavat määrät TNT:ä ovat 2500 kg ja 157 kg.

[muokkaa] Kokeet

LHC:n rakenteilla oleva Atlas-koeasema

LHC:hen tulee kuusi hiukkasilmaisinta, jotka tuottavat kokeiden datan. Näiden hiukkasilmaisinten tai kokeiden nimet ovat:

A Large Ion Collider Experiment eli ALICE (suom. suuri ionien törmäytyskoe)
A Toroidal LHC ApparatuS eli ATLAS (suom. toroidaalinen LHC aparaatti)
Compact Muon Solenoid eli CMS (suom. kompakti myonisolenoidi). Suomi osallistuu tähän kokeeseen.
Large Hadron Collider beauty eli LHCb (suom. suuri hadronitörmäytin kauneus)
Large Hadron Collider forward eli LHCf (suom. suuri hadronitörmäytin edus)
Total Cross Section, Elastic Scattering and Diffraction Dissociation eli TOTEM (suom. kokonaisvaikutusala, elastinen siroaminen ja diffraktion dissosiaatio)

[muokkaa] LHC-kiihdyttimessä tutkittavia ongelmia

Mitä massa on?
Mikä alkeishiukkasten massan alkuperä on? Onko Higgsin bosoni olemassa?
Miksi alkeishiukkasilla on erisuuria massoja? Ovatko hiukkaset vuorovaikutuksessa Higgsin kentän kanssa?
Ovatko neutriinot massattomia?
Mistä koostuvat pimeä aine ja pimeä energia?
Onko supersymmetrisiä hiukkasia olemassa?
Onko antimateria materian täydellinen peilikuva?
Onko olemassa lisää ulottuvuuksia, ja saavatko säieteoriat kokeellista tukea?

[muokkaa] Teoreettisia uhkakuvia

On esitetty, että LHC saattaisi käynnistyttyään tuhota Maapallon. Projektissa työskentelevät insinöörit myöntävät että tälle on infinitesimaalinen todennäköisyys.

Teoreettisia skenaarioita ovat:

stabiilin mustan aukon syntyminen^[4]
jonkin tavallista ainetta stabiilimman eksoottisen aineen syntyminen
protonin hajoamista katalysoivien magneettisten monopolien syntyminen
virheellisen tyhjiön purkautuminen

LHC saattaa synnyttää pieniä mustia aukkoja, sillä vaikutusala (todennäköisyys) niiden syntymiseksi on joidenkin teoriakehitelmien mukaan vain kymmenen kertaa pienempi kuin huippukvarkin. Mikäli mustia aukkoja syntyisi, ne haihtuisivat lähes välittömästi Hawkingin säteilyllä ja olisivat siten harmittomia. ^[5] Hawkingin säteily on tosin vielä varmistamaton ilmiö. Vahvin argumentti törmäytysten turvallisuuden puolesta on kosmisen säteilyn suurienergisten hiukkasten törmäykset taivaankappaleihin kuten Maahan. Nämä parhaimmillaan 20 miljoonaa kertaa LHC:sssä saavutettavia 1.4×10¹³ eV:n energiatasoja suuremmatkaan törmäykset eivät ole aiheuttaneet vaarallisia ilmiöitä. ^[6].

CERN tutki mahdollisuuksia vaarallisten kohteiden syntymiselle ja totesi ettei ole "mitään ajateltavissa olevaa vaaraa". ^[7] Muiden muassa Lifeboat Foundation on kuitenkin käsitellyt aihetta. ^[8]